Reaksi fusi adalah sebagai berikut: dua atau lebih inti atom diambil dan, dengan penerapan gaya tertentu, mereka mendekati sedemikian rupa sehingga gaya-gaya yang bekerja pada jarak tersebut melebihi gaya tolak-menolak Coulomb antara inti-inti yang bermuatan sama, sebagai akibat dari dimana nukleus baru terbentuk. Ini akan memiliki massa yang sedikit lebih kecil dari jumlah massa inti asli, dan perbedaannya menjadi energi yang dilepaskan selama reaksi. Jumlah energi yang dilepaskan dijelaskan oleh rumus terkenal E=mc². Inti atom yang lebih ringan lebih mudah dibawa ke jarak yang tepat, jadi hidrogen - elemen paling melimpah di alam semesta - adalah bahan bakar terbaik untuk reaksi fusi.

Telah ditetapkan bahwa campuran dua isotop hidrogen, deuterium dan tritium, membutuhkan energi paling sedikit untuk reaksi fusi dibandingkan dengan energi yang dilepaskan selama reaksi. Namun, meskipun campuran deuterium dan tritium (D-T) adalah subjek dari sebagian besar penelitian fusi, itu bukan satu-satunya bahan bakar potensial. Campuran lain mungkin lebih mudah dibuat; reaksi mereka dapat dikontrol dengan lebih baik, atau yang lebih penting, menghasilkan lebih sedikit neutron. Yang menarik adalah apa yang disebut reaksi "Tanpa Netral", karena penggunaan industri yang sukses dari bahan bakar tersebut akan berarti tidak adanya kontaminasi radioaktif jangka panjang dari bahan dan desain reaktor, yang, pada gilirannya, dapat mempengaruhi opini publik secara positif. dan keseluruhan biaya pengoperasian reaktor, yang secara signifikan mengurangi biaya dekomisioning. Masalahnya tetap bahwa reaksi fusi menggunakan bahan bakar alternatif jauh lebih sulit untuk dipertahankan, sehingga reaksi D-T dianggap hanya langkah pertama yang diperlukan.

Skema reaksi deuterium-tritium

Fusi termonuklir terkendali dapat menggunakan berbagai jenis reaksi termonuklir tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan.

Reaksi Deuterium + Tritium (Bahan Bakar D-T)

Reaksi yang paling mudah diimplementasikan adalah deuterium + tritium:

2 H + 3 H = 4 He + n pada keluaran energi 17,6 MeV (MeV)

Reaksi seperti itu paling mudah diimplementasikan dari sudut pandang teknologi modern, memberikan hasil energi yang signifikan, dan komponen bahan bakar yang murah. Kerugiannya adalah pelepasan radiasi neutron yang tidak diinginkan.

Dua inti: deuterium dan tritium melebur membentuk inti helium (partikel alfa) dan neutron berenergi tinggi.

²H + He = 4 He + . pada keluaran energi 18,4 MeV

Kondisi untuk mencapainya jauh lebih rumit. Helium-3 juga merupakan isotop yang langka dan sangat mahal. Saat ini tidak diproduksi dalam skala industri. Namun, itu dapat diperoleh dari tritium, yang diperoleh secara bergantian di pembangkit listrik tenaga nuklir.

Kompleksitas melakukan reaksi termonuklir dapat dicirikan oleh produk rangkap tiga nTt (densitas kali suhu kali waktu kurungan). Menurut parameter ini, reaksi D-3He sekitar 100 kali lebih sulit daripada D-T.

Reaksi antara inti deuterium (D-D, monopropelan)

Reaksi antara inti deuterium juga dimungkinkan, mereka sedikit lebih sulit daripada reaksi yang melibatkan helium-3:

Akibatnya, selain reaksi utama dalam plasma DD, hal berikut juga terjadi:

Reaksi-reaksi ini perlahan-lahan berjalan secara paralel dengan reaksi deuterium + helium-3, dan tritium dan helium-3 yang terbentuk selama mereka sangat mungkin untuk segera bereaksi dengan deuterium.

Jenis reaksi lainnya

Beberapa jenis reaksi lain juga mungkin terjadi. Pilihan bahan bakar tergantung pada banyak faktor - ketersediaannya dan biaya rendah, hasil energi, kemudahan mencapai kondisi yang diperlukan untuk reaksi fusi (terutama suhu), karakteristik desain reaktor yang diperlukan, dan sebagainya.

Reaksi "tanpa neutron"

Yang paling menjanjikan disebut. reaksi "tanpa neutron", karena fluks neutron yang dihasilkan oleh fusi termonuklir (misalnya, dalam reaksi deuterium-tritium) menghilangkan sebagian besar daya dan menghasilkan radioaktivitas terinduksi dalam desain reaktor. Reaksi deuterium-helium-3 menjanjikan, juga karena kurangnya hasil neutron.

Kondisi

Reaksi nuklir litium-6 dengan deuterium 6 Li(d,α)α

CTS dimungkinkan dengan pemenuhan simultan dari dua kriteria:

• Suhu plasma:

style="max-width: 98%; tinggi: otomatis; lebar: otomatis;" src="/pictures/wiki/files/101/ea2cc6cfd93c3d519e815764da74047a.png" border="0">

• Kepatuhan dengan kriteria Lawson:

style="max-width: 98%; tinggi: otomatis; lebar: otomatis;" src="/pictures/wiki/files/102/fe017490a33596f30c6fb2ea304c2e15.png" border="0"> (untuk reaksi D-T)

di mana adalah kepadatan plasma suhu tinggi dan waktu kurungan plasma dalam sistem.

Pada nilai kedua kriteria inilah laju reaksi termonuklir tertentu sangat bergantung.

Saat ini, fusi termonuklir terkendali belum dilakukan dalam skala industri. Pembangunan reaktor riset internasional ITER sedang dalam tahap awal.

Energi termonuklir dan helium-3

Cadangan Helium-3 di Bumi berkisar dari 500 kg hingga 1 ton, tetapi di Bulan jumlahnya signifikan: hingga 10 juta ton (menurut perkiraan minimal - 500 ribu ton). Saat ini, reaksi termonuklir terkendali dilakukan oleh fusi deuterium ²H dan tritium H dengan pelepasan helium-4 4 He dan neutron "cepat" n:

Namun, dalam kasus ini, sebagian besar (lebih dari 80%) energi kinetik yang dilepaskan justru jatuh pada neutron. Sebagai hasil tumbukan fragmen dengan atom lain, energi ini diubah menjadi energi panas. Selain itu, neutron cepat menghasilkan sejumlah besar limbah radioaktif. Sebaliknya, sintesis deuterium dan helium-3 Dia tidak menghasilkan (hampir) produk radioaktif:

Dimana p adalah proton

Hal ini memungkinkan penggunaan sistem yang lebih sederhana dan lebih efisien untuk mengubah reaksi fusi kinetik, seperti generator magnetohidrodinamik.

Desain reaktor

Dua skema utama untuk implementasi fusi termonuklir terkendali dipertimbangkan.

Studi tentang reaktor termonuklir jenis pertama jauh lebih berkembang daripada yang kedua. Dalam fisika nuklir, dalam studi fusi termonuklir, perangkap magnet digunakan untuk menahan plasma dalam volume tertentu. Perangkap magnetik dirancang untuk menjaga plasma dari kontak dengan elemen reaktor termonuklir, mis. digunakan terutama sebagai isolator panas. Prinsip kurungan didasarkan pada interaksi partikel bermuatan dengan medan magnet, yaitu pada rotasi partikel bermuatan di sekitar garis medan magnet. Sayangnya, plasma magnet sangat tidak stabil dan cenderung meninggalkan medan magnet. Oleh karena itu, untuk membuat perangkap magnet yang efektif, elektromagnet paling kuat digunakan, yang menghabiskan banyak energi.

Dimungkinkan untuk mengurangi ukuran reaktor termonuklir jika tiga metode untuk menciptakan reaksi termonuklir digunakan secara bersamaan di dalamnya.

A. Sintesis inersia. Sinari kapsul kecil bahan bakar deuterium-tritium dengan laser 500 triliun watt:5. 10^14W. Pulsa laser raksasa dan berjangka sangat pendek ini 10^-8 s menyebabkan kapsul bahan bakar meledak, menghasilkan kelahiran bintang mini selama sepersekian detik. Tapi reaksi termonuklir tidak dapat dicapai di atasnya.

B. Menggunakan mesin Z secara bersamaan dengan Tokamak.

Z-Mesin bekerja secara berbeda dari laser. Ini melewati jaringan kabel tertipis yang mengelilingi kapsul bahan bakar, muatan dengan kekuatan setengah triliun watt 5. 10 ^ 11 watt.

Kemudian hal yang sama terjadi seperti pada laser: sebagai akibat dari tumbukan Z, sebuah bintang diperoleh. Selama pengujian pada Mesin-Z, reaksi fusi sudah dapat dimulai. http://www.sandia.gov/media/z290.htm Tutupi kapsul dengan perak dan hubungkan dengan benang perak atau grafit. Proses penyalaan terlihat seperti ini: Tembak seutas benang (dipasang pada sekelompok bola perak yang berisi campuran deuterium dan tritium) ke dalam ruang hampa udara. Selama kerusakan (pengosongan), bentuk saluran petir melalui mereka, berikan arus melalui plasma. Secara bersamaan menyinari kapsul dan plasma dengan radiasi laser. Dan pada saat yang sama atau sebelumnya nyalakan tokamak. Gunakan tiga proses pemanasan plasma secara bersamaan. Artinya, satukan mesin-Z dan pemanas laser di dalam Tokamak. Dimungkinkan untuk membuat rangkaian osilasi dari kumparan Tokamak dan mengatur resonansi. Kemudian akan bekerja dalam mode osilasi ekonomis.

Siklus bahan bakar

Reaktor generasi pertama kemungkinan besar akan menggunakan campuran deuterium dan tritium. Neutron yang muncul selama reaksi akan diserap oleh pelindung reaktor, dan panas yang dilepaskan akan digunakan untuk memanaskan pendingin di penukar panas, dan energi ini, pada gilirannya, akan digunakan untuk memutar generator.

. .

Reaksi dengan Li6 bersifat eksotermis, memberikan sedikit energi untuk reaktor. Reaksi dengan Li7 ​​adalah endotermik - tetapi tidak mengkonsumsi neutron. Setidaknya beberapa reaksi Li7 diperlukan untuk menggantikan neutron yang hilang dalam reaksi dengan unsur lain. Kebanyakan desain reaktor menggunakan campuran alami isotop lithium.

Bahan bakar ini memiliki beberapa kelemahan:

Reaksi menghasilkan sejumlah besar neutron, yang mengaktifkan (radioaktif menginfeksi) reaktor dan penukar panas. Tindakan juga diperlukan untuk melindungi terhadap kemungkinan sumber tritium radioaktif.

Hanya sekitar 20% dari energi fusi dalam bentuk partikel bermuatan (sisanya adalah neutron), yang membatasi kemungkinan konversi langsung energi fusi menjadi listrik. Penggunaan reaksi D-T tergantung pada cadangan litium yang tersedia, yang jauh lebih kecil daripada cadangan deuterium. Paparan neutron selama reaksi D-T begitu signifikan sehingga setelah serangkaian pengujian pertama di JET, reaktor terbesar hingga saat ini yang menggunakan bahan bakar ini, reaktor menjadi sangat radioaktif sehingga sistem perawatan jarak jauh robot harus ditambahkan untuk menyelesaikan siklus pengujian tahun ini. .

Secara teori, ada jenis bahan bakar alternatif yang tidak memiliki kekurangan ini. Tetapi penggunaannya terhalang oleh keterbatasan fisik yang mendasar. Untuk mendapatkan energi yang cukup dari reaksi fusi, perlu untuk menjaga plasma yang cukup padat pada suhu fusi (10 8 K) untuk waktu tertentu. Aspek mendasar dari sintesis ini dijelaskan oleh produk kepadatan plasma, n, dan waktu dari konten plasma yang dipanaskan, yang diperlukan untuk mencapai titik kesetimbangan. Produk, nτ, tergantung pada jenis bahan bakar dan merupakan fungsi dari suhu plasma. Dari semua jenis bahan bakar, campuran deuterium-tritium membutuhkan nilai nτ paling rendah paling sedikit satu orde besarnya, dan suhu reaksi paling rendah paling sedikit 5 kali lipat. Dengan demikian, reaksi D-T merupakan langkah pertama yang diperlukan, tetapi penggunaan bahan bakar lain tetap menjadi tujuan penelitian yang penting.

Reaksi fusi sebagai sumber daya industri

Energi fusi dianggap oleh banyak peneliti sebagai sumber energi "alami" dalam jangka panjang. Pendukung penggunaan komersial reaktor fusi untuk pembangkit listrik membuat argumen berikut yang mendukung mereka:

• Cadangan bahan bakar yang hampir tidak ada habisnya (hidrogen)
• Bahan bakar dapat diekstraksi dari air laut di pantai mana pun di dunia, yang membuat satu atau sekelompok negara tidak mungkin memonopoli bahan bakar
• Ketidakmungkinan reaksi fusi yang tidak terkendali
• Tidak ada produk pembakaran
• Tidak perlu menggunakan bahan yang dapat digunakan untuk memproduksi senjata nuklir, sehingga menghilangkan kasus sabotase dan terorisme
• Dibandingkan dengan reaktor nuklir, sejumlah kecil limbah radioaktif dihasilkan dengan waktu paruh yang pendek.
• Sebuah bidal berisi deuterium diperkirakan menghasilkan setara dengan 20 ton batubara. Danau berukuran sedang mampu menyediakan energi bagi negara mana pun selama ratusan tahun. Namun, perlu dicatat bahwa reaktor riset yang ada dirancang untuk mencapai reaksi deuterium-tritium (DT) langsung, yang siklus bahan bakarnya memerlukan penggunaan litium untuk menghasilkan tritium, sedangkan klaim energi yang tidak habis-habisnya mengacu pada penggunaan deuterium-deuterium. (DD) reaksi pada reaktor generasi kedua.
• Sama seperti reaksi fisi, reaksi fusi tidak menghasilkan emisi karbon dioksida di atmosfer, penyumbang utama pemanasan global. Ini adalah keuntungan yang signifikan, karena penggunaan bahan bakar fosil untuk pembangkit listrik berdampak, misalnya, AS menghasilkan 29 kg CO 2 (salah satu gas utama yang dapat dianggap sebagai penyebab pemanasan global) per penduduk AS. per hari.

Biaya listrik dibandingkan dengan sumber tradisional

Kritik menunjukkan bahwa pertanyaan kelayakan ekonomi menggunakan fusi nuklir untuk menghasilkan listrik tetap terbuka. Studi yang sama, yang ditugaskan oleh Kantor Hak Sains dan Teknologi Parlemen Inggris, menunjukkan bahwa biaya produksi listrik menggunakan reaktor fusi kemungkinan berada di atas spektrum biaya untuk sumber energi konvensional. Banyak yang akan tergantung pada teknologi masa depan, struktur dan regulasi pasar. Biaya listrik secara langsung tergantung pada efisiensi penggunaan, durasi operasi dan biaya dekomisioning reaktor. Kritik terhadap penggunaan komersial energi fusi menyangkal bahwa bahan bakar hidrokarbon disubsidi besar-besaran oleh pemerintah, baik secara langsung maupun tidak langsung, seperti penggunaan angkatan bersenjata untuk memastikan pasokan mereka tidak terputus, perang di Irak sering dikutip sebagai contoh kontroversial dari metode subsidi ini. Perhitungan untuk subsidi tidak langsung seperti itu sangat kompleks dan membuat perbandingan biaya yang akurat hampir tidak mungkin.

Ada juga pertanyaan tentang biaya penelitian. Negara-negara Komunitas Eropa menghabiskan sekitar 200 juta euro per tahun untuk penelitian, dan diperkirakan akan memakan waktu beberapa dekade lagi sebelum penggunaan industri fusi nuklir menjadi mungkin. Pendukung sumber energi alternatif percaya bahwa akan lebih tepat untuk mengarahkan dana ini ke pengenalan sumber energi terbarukan.

Ketersediaan energi fusi komersial

Sayangnya, terlepas dari optimisme yang tersebar luas (umum sejak 1950-an ketika penelitian pertama dimulai), hambatan signifikan antara pemahaman saat ini tentang proses fusi nuklir, kemungkinan teknologi, dan penggunaan praktis fusi nuklir belum diatasi, bahkan tidak jelas seberapa banyak yang dapat produksi listrik yang menguntungkan secara ekonomi menggunakan fusi termonuklir. Meskipun kemajuan dalam penelitian konstan, para peneliti terus-menerus dihadapkan dengan tantangan baru. Misalnya, tantangannya adalah mengembangkan bahan yang dapat menahan pemboman neutron, yang diperkirakan 100 kali lebih kuat daripada reaktor nuklir konvensional.

Ada tahapan-tahapan dalam penelitian berikut ini:

1.Keseimbangan atau mode "lulus"(Break-even): ketika total energi yang dilepaskan selama proses fusi sama dengan total energi yang dihabiskan untuk memulai dan mempertahankan reaksi. Rasio ini diberi label dengan simbol Q. Kesetimbangan reaksi ditunjukkan di JET (Joint European Torus) di Inggris pada tahun 1997. (Setelah menghabiskan 52 MW listrik untuk pemanasannya, pada keluarannya, para ilmuwan menerima daya 0,2 MW lebih tinggi daripada yang dihabiskan.)

2.Plasma Berkobar(Pembakaran Plasma): Tahap peralihan di mana reaksi akan didukung terutama oleh partikel alfa yang dihasilkan selama reaksi, dan bukan oleh pemanasan eksternal. Q 5. Masih belum tercapai.

3. Pengapian(Pengapian): Reaksi stabil yang menopang dirinya sendiri. Harus dicapai pada nilai Q tinggi. Belum tercapai.

Langkah selanjutnya dalam penelitian adalah ITER (Reaktor Eksperimental Termonuklir Internasional), Reaktor Eksperimental Termonuklir Internasional. Pada reaktor ini, direncanakan untuk mempelajari perilaku plasma suhu tinggi (plasma menyala dengan Q ~ 30) dan bahan struktural untuk reaktor industri. Tahap terakhir dari penelitian ini adalah DEMO: sebuah reaktor industri prototipe yang akan mencapai pengapian dan menunjukkan kesesuaian praktis bahan baru. Prakiraan paling optimis untuk penyelesaian fase DEMO: 30 tahun. Mempertimbangkan perkiraan waktu untuk konstruksi dan commissioning reaktor industri, kami dipisahkan oleh ~ 40 tahun dari penggunaan energi termonuklir industri.

Tokamak yang ada

Secara total, sekitar 300 tokamaks dibangun di dunia. Yang terbesar dari mereka tercantum di bawah ini.

• Uni Soviet dan Rusia
  • T-3 adalah aparatus fungsional pertama.
  • T-4 - versi yang diperbesar dari T-3
  • T-7 adalah instalasi unik, di mana untuk pertama kalinya di dunia sistem magnetik yang relatif besar dengan solenoida superkonduktor berbasis timah niobate, didinginkan oleh helium cair, diimplementasikan. Tugas utama T-7 selesai: prospek generasi berikutnya dari solenoida superkonduktor dari rekayasa tenaga termonuklir disiapkan.
  • T-10 dan PLT adalah langkah selanjutnya dalam dunia penelitian fusi, ukurannya hampir sama, daya setara, dengan faktor kurungan yang sama. Dan hasil yang diperoleh identik: suhu fusi termonuklir yang didambakan telah tercapai di kedua reaktor, dan jeda menurut kriteria Lawson hanya dua ratus kali.
  • T-15 adalah reaktor saat ini dengan solenoid superkonduktor yang memberikan medan 3,6 T.
• Libya
  • TM-4A
• Eropa dan Inggris
  • JET (English) (Joint Europeus Tor) adalah tokamak terbesar di dunia, dibuat oleh organisasi Euratom di Inggris. Ini menggunakan pemanasan gabungan: 20 MW - injeksi netral, 32 MW - resonansi ion-siklotron. Akibatnya, kriteria Lawson hanya 4-5 kali lebih rendah dari tingkat pengapian.
  • Tore Supra (fr.) (eng.) adalah tokamak dengan kumparan superkonduktor, salah satu yang terbesar di dunia. Terletak di pusat penelitian Cadarache (Prancis).
• Amerika Serikat
  • TFTR (Bahasa Inggris) (Test Fusion Tokamak Reactor) - tokamak AS terbesar (di Universitas Princeton) dengan pemanasan tambahan oleh partikel netral yang cepat. Hasil tinggi dicapai: kriteria Lawson pada suhu termonuklir sejati hanya 5,5 kali lebih rendah dari ambang pengapian. Ditutup pada tahun 1997
  • NSTX (Bahasa Inggris) (National Spherical Torus Experiment) adalah tokamak bulat (sferomak) yang saat ini beroperasi di Universitas Princeton. Plasma pertama dalam reaktor diperoleh pada tahun 1999, dua tahun setelah penutupan TFTR.

Menurut konsep astrofisika modern, sumber energi utama Matahari dan bintang lainnya adalah fusi termonuklir yang terjadi di kedalamannya. Dalam kondisi terestrial, itu dilakukan selama ledakan bom hidrogen. Fusi termonuklir disertai dengan pelepasan energi kolosal per satuan massa zat yang bereaksi (sekitar 10 juta kali lebih besar daripada reaksi kimia). Oleh karena itu, sangat menarik untuk menguasai proses ini dan, atas dasar itu, menciptakan sumber energi yang murah dan ramah lingkungan. Namun, terlepas dari kenyataan bahwa tim ilmiah dan teknis besar di banyak negara maju terlibat dalam penelitian tentang fusi termonuklir terkendali (CTF), masih banyak masalah kompleks yang harus dipecahkan sebelum produksi industri energi termonuklir menjadi kenyataan.

Pembangkit listrik tenaga nuklir modern yang menggunakan proses fisi hanya sebagian memenuhi kebutuhan listrik dunia. Bahan bakarnya adalah unsur radioaktif alami uranium dan thorium, yang prevalensi dan cadangannya di alam sangat terbatas; oleh karena itu, bagi banyak negara ada masalah impor mereka. Komponen utama bahan bakar termonuklir adalah deuterium isotop hidrogen, yang ditemukan di air laut. Cadangannya tersedia untuk umum dan sangat besar (lautan dunia mencakup ~ 71% dari luas permukaan bumi, dan deuterium menyumbang sekitar 0,016% dari jumlah total atom hidrogen yang membentuk air). Selain ketersediaan bahan bakar, sumber energi termonuklir memiliki keunggulan penting berikut dibandingkan pembangkit listrik tenaga nuklir: 1) reaktor UTS mengandung jauh lebih sedikit bahan radioaktif daripada reaktor fisi nuklir, dan oleh karena itu konsekuensi pelepasan produk radioaktif yang tidak disengaja lebih sedikit. berbahaya; 2) reaksi termonuklir menghasilkan lebih sedikit limbah radioaktif berumur panjang; 3) TCB memungkinkan pembangkit listrik langsung.

LANDASAN FISIK FUSION NUKLIR

Keberhasilan pelaksanaan reaksi fusi tergantung pada sifat-sifat inti atom yang digunakan dan kemungkinan memperoleh plasma suhu tinggi yang padat, yang diperlukan untuk memulai reaksi.

Gaya dan reaksi nuklir.

Pelepasan energi selama fusi nuklir disebabkan oleh gaya tarik menarik yang sangat intens yang beroperasi di dalam nukleus; gaya-gaya ini menahan proton dan neutron yang membentuk nukleus. Mereka sangat kuat pada jarak ~10–13 cm dan melemah sangat cepat dengan bertambahnya jarak. Selain gaya-gaya ini, proton bermuatan positif menciptakan gaya tolak elektrostatik. Jari-jari aksi gaya elektrostatik jauh lebih besar dari pada gaya nuklir, sehingga mereka mulai mendominasi ketika inti terpisah lebih jauh.

Seperti yang ditunjukkan G. Gamov, peluang reaksi antara dua inti cahaya yang mendekat sebanding dengan , dimana e – dasar logaritma natural, Z 1 dan Z 2 adalah jumlah proton dalam inti yang berinteraksi, W adalah energi dari pendekatan relatif mereka, dan K adalah pengali konstan. Energi yang diperlukan untuk melakukan reaksi tergantung pada jumlah proton dalam setiap inti. Jika lebih dari tiga, maka energi ini terlalu tinggi dan reaksi praktis tidak mungkin. Jadi, dengan bertambahnya Z 1 dan Z 2 kemungkinan reaksi berkurang.

Probabilitas bahwa dua inti akan berinteraksi dicirikan oleh "penampang reaksi" yang diukur dalam lumbung (1 b = 10–24 cm 2). Penampang reaksi adalah luas penampang efektif inti, di mana inti lain harus "mendapatkan" agar interaksi mereka terjadi. Penampang untuk reaksi deuterium dengan tritium mencapai nilai maksimumnya (~5 b) ketika partikel yang berinteraksi memiliki energi pendekatan relatif sekitar 200 keV. Pada energi 20 keV, penampang menjadi kurang dari 0,1 b.

Dari satu juta partikel yang dipercepat yang mengenai target, tidak lebih dari satu yang masuk ke dalam interaksi nuklir. Sisanya membuang energi mereka pada elektron atom target dan melambat ke kecepatan di mana reaksi menjadi tidak mungkin. Akibatnya, metode membombardir target padat dengan inti yang dipercepat (seperti yang terjadi dalam percobaan Cockcroft-Walton) tidak cocok untuk CTS, karena energi yang diperoleh dalam kasus ini jauh lebih sedikit daripada energi yang dihabiskan.

Bahan bakar termonuklir.

Reaksi yang melibatkan p, yang memainkan peran utama dalam proses fusi nuklir di Matahari dan bintang-bintang homogen lainnya, tidak menarik secara praktis dalam kondisi terestrial, karena mereka memiliki penampang yang terlalu kecil. Untuk pelaksanaan fusi termonuklir di bumi, jenis bahan bakar yang lebih cocok, seperti disebutkan di atas, adalah deuterium.

Tetapi reaksi yang paling mungkin diwujudkan dalam campuran komponen yang sama dari deuterium dan tritium (campuran DT). Sayangnya, tritium bersifat radioaktif dan, karena waktu paruhnya yang pendek (T 1/2 ~ 12,3 tahun), praktis tidak pernah ditemukan di alam. Ini diperoleh secara artifisial dalam reaktor fisi, dan juga sebagai produk sampingan dalam reaksi dengan deuterium. Namun, tidak adanya tritium di alam bukanlah halangan untuk penggunaan DT - reaksi fusi, karena tritium dapat diproduksi dengan menyinari isotop 6 Li dengan neutron yang dihasilkan selama fusi: n+ 6 Li ® 4 He + t.

Jika ruang termonuklir dikelilingi oleh lapisan 6 Li (litium alami mengandung 7%), maka dimungkinkan untuk melakukan reproduksi lengkap dari tritium yang dapat dikonsumsi. Dan meskipun dalam praktiknya beberapa neutron tak terhindarkan hilang, kehilangannya dapat dengan mudah diisi ulang dengan memasukkan ke dalam kulit elemen seperti berilium, yang intinya, ketika satu neutron cepat mengenainya, memancarkan dua.

Prinsip pengoperasian reaktor termonuklir.

Reaksi fusi inti ringan, yang bertujuan untuk memperoleh energi yang berguna, disebut fusi termonuklir terkendali. Ini dilakukan pada suhu orde ratusan juta kelvin. Proses ini selama ini baru dilaksanakan di laboratorium.

Kondisi waktu dan suhu.

Memperoleh energi termonuklir yang berguna hanya mungkin jika dua kondisi terpenuhi. Pertama, campuran yang dimaksudkan untuk sintesis harus dipanaskan sampai suhu di mana energi kinetik inti memastikan kemungkinan fusi yang tinggi pada tumbukan. Kedua, campuran yang bereaksi harus diisolasi dengan sangat baik secara termal (yaitu, suhu tinggi harus dipertahankan cukup lama agar jumlah reaksi yang diperlukan dapat terjadi dan energi yang dilepaskan karena hal ini melebihi energi yang dihabiskan untuk memanaskan bahan bakar).

Dalam bentuk kuantitatif, kondisi ini dinyatakan sebagai berikut. Untuk memanaskan campuran termonuklir, satu sentimeter kubik volumenya harus disuplai dengan energi P 1 = knt, di mana k- koefisien numerik, n- kerapatan campuran (jumlah inti dalam 1 cm 3), T- suhu yang dibutuhkan. Untuk mempertahankan reaksi, energi yang diberikan pada campuran termonuklir harus kekal selama waktu t. Agar reaktor menjadi menguntungkan secara energi, perlu bahwa selama waktu ini lebih banyak energi termonuklir dilepaskan di dalamnya daripada yang dihabiskan untuk pemanasan. Energi yang dilepaskan (juga per 1 cm 3) dinyatakan sebagai berikut:

di mana f(T) adalah koefisien tergantung pada suhu campuran dan komposisinya, R adalah energi yang dilepaskan dalam satu tindakan dasar sintesis. Kemudian kondisi profitabilitas energi P 2 > P 1 akan mengambil formulir

Ketidaksetaraan terakhir, yang dikenal sebagai kriteria Lawson, adalah ekspresi kuantitatif dari persyaratan untuk kesempurnaan isolasi termal. Sisi kanan - "bilangan Lawson" - hanya bergantung pada suhu dan komposisi campuran, dan semakin besar, semakin ketat persyaratan untuk isolasi termal, mis. semakin sulit untuk membuat reaktor. Di wilayah suhu yang dapat diterima, bilangan Lawson untuk deuterium murni adalah 10 16 s/cm 3 , dan untuk campuran DT dengan komponen yang sama adalah 2×10 14 s/cm 3 . Jadi, campuran DT adalah bahan bakar fusi yang lebih disukai.

Sesuai dengan kriteria Lawson, yang menentukan nilai produk densitas dan waktu pengurungan yang menguntungkan secara energetik, dalam reaktor termonuklir harus digunakan sebesar mungkin. n atau t. Oleh karena itu, studi CTS menyimpang ke dalam dua arah yang berbeda: yang pertama, para peneliti mencoba untuk menjaga plasma yang relatif langka dengan bantuan medan magnet untuk waktu yang cukup lama; di kedua, dengan bantuan laser untuk waktu yang singkat untuk membuat plasma dengan kepadatan yang sangat tinggi. Lebih banyak pekerjaan telah dikhususkan untuk pendekatan pertama daripada yang kedua.

Batas magnet plasma.

Selama reaksi fusi, kerapatan reaktan panas harus tetap pada tingkat yang akan memberikan hasil energi yang berguna yang cukup tinggi per satuan volume pada tekanan yang dapat ditahan oleh ruang plasma. Misalnya, untuk campuran deuterium - tritium pada suhu 108 K, hasil ditentukan oleh ekspresi

Jika menerima P sama dengan 100 W / cm 3 (yang kira-kira sesuai dengan energi yang dilepaskan oleh elemen bahan bakar dalam reaktor fisi nuklir), maka densitas n harus kira-kira. 10 15 core / cm 3, dan tekanan yang sesuai tidak- sekitar 3 MPa. Waktu retensi dalam hal ini, menurut kriteria Lawson, harus setidaknya 0,1 detik. Untuk plasma deuterium-deuterium pada suhu 10 9 K

Dalam hal ini, ketika P\u003d 100 W / cm 3, n» 3×10 15 core/cm 3 dan tekanan sekitar 100 MPa, waktu penahanan yang dibutuhkan akan lebih dari 1 detik. Perhatikan bahwa densitas ini hanya 0,0001 udara atmosfer, sehingga ruang reaktor harus dievakuasi ke vakum tinggi.

Perkiraan waktu retensi, suhu, dan densitas di atas merupakan parameter minimum tipikal yang diperlukan untuk pengoperasian reaktor fusi, dan lebih mudah dicapai dalam kasus campuran deuterium-tritium. Mengenai reaksi termonuklir yang terjadi selama ledakan bom hidrogen dan di bagian dalam bintang, harus diingat bahwa, karena kondisi yang sama sekali berbeda, dalam kasus pertama berlangsung sangat cepat, dan dalam kasus kedua - sangat lambat. dibandingkan dengan proses dalam reaktor termonuklir.

Plasma.

Ketika gas dipanaskan dengan kuat, atom-atomnya kehilangan sebagian atau seluruhnya elektron, akibatnya partikel bermuatan positif, yang disebut ion, dan elektron bebas terbentuk. Pada suhu di atas satu juta derajat, gas yang terdiri dari unsur-unsur ringan terionisasi sepenuhnya, mis. setiap atom kehilangan semua elektronnya. Gas dalam keadaan terionisasi disebut plasma (istilah ini diperkenalkan oleh I. Langmuir). Sifat-sifat plasma berbeda secara signifikan dari sifat-sifat gas netral. Karena ada elektron bebas dalam plasma, plasma menghantarkan arus listrik dengan sangat baik, dan konduktivitasnya sebanding dengan T 3/2. Plasma dapat dipanaskan dengan melewatkan arus listrik melaluinya. Konduktivitas plasma hidrogen pada 108 K sama dengan konduktivitas tembaga pada suhu kamar. Konduktivitas termal plasma juga sangat tinggi.

Untuk menjaga plasma, misalnya, pada suhu 10 8 K, plasma harus diisolasi secara andal. Pada prinsipnya, plasma dapat diisolasi dari dinding chamber dengan menempatkannya pada medan magnet yang kuat. Ini disediakan oleh gaya yang muncul selama interaksi arus dengan medan magnet dalam plasma.

Di bawah aksi medan magnet, ion dan elektron bergerak dalam spiral di sepanjang garis gayanya. Transisi dari satu garis gaya ke garis gaya lainnya dimungkinkan ketika partikel bertabrakan dan ketika medan listrik transversal diterapkan. Dengan tidak adanya medan listrik, plasma yang dijernihkan bersuhu tinggi, di mana tumbukan jarang terjadi, hanya akan perlahan-lahan berdifusi melintasi garis-garis medan magnet. Jika garis-garis gaya medan magnet ditutup, sehingga membentuk lingkaran, maka partikel plasma akan bergerak di sepanjang garis ini, tertahan di daerah lingkaran. Selain konfigurasi magnetik tertutup untuk membatasi plasma, sistem terbuka (dengan garis medan keluar dari ujung ruang ke luar) juga diusulkan, di mana partikel tetap berada di dalam ruang karena "colokan" magnetik yang membatasi pergerakan partikel. Cermin magnetik dibuat di ujung ruangan, di mana sinar garis medan yang menyempit terbentuk sebagai hasil dari peningkatan kekuatan medan secara bertahap.

Dalam praktiknya, kurungan magnet dari plasma dengan kepadatan yang cukup tinggi ternyata jauh dari sederhana: ketidakstabilan magnetohidrodinamik dan kinetik sering muncul di dalamnya.

Ketidakstabilan magnetohidrodinamik dikaitkan dengan belokan dan putusnya garis medan magnet. Dalam hal ini, plasma dapat mulai bergerak melintasi medan magnet dalam bentuk tandan, meninggalkan zona penahanan dalam beberapa sepersejuta detik dan mengeluarkan panas ke dinding ruang. Ketidakstabilan tersebut dapat ditekan dengan memberikan medan magnet konfigurasi tertentu.

Ketidakstabilan kinetik sangat beragam dan telah dipelajari dengan kurang detail. Diantaranya adalah yang mengganggu proses yang teratur, seperti aliran arus listrik yang konstan atau aliran partikel melalui plasma. Ketidakstabilan kinetik lainnya menyebabkan tingkat difusi transversal plasma yang lebih tinggi dalam medan magnet daripada yang diprediksi oleh teori tumbukan untuk plasma yang tenang.

Sistem dengan konfigurasi magnetik tertutup.

Jika medan listrik yang kuat diterapkan pada gas konduktor terionisasi, maka arus pelepasan akan muncul di dalamnya, bersamaan dengan itu medan magnet di sekitarnya akan muncul. Interaksi medan magnet dengan arus akan menyebabkan munculnya gaya tekan yang bekerja pada partikel gas yang bermuatan. Jika arus mengalir di sepanjang sumbu filamen plasma penghantar, maka gaya radial yang dihasilkan, seperti karet gelang, menekan filamen, memindahkan batas plasma menjauh dari dinding ruang yang menampungnya. Fenomena ini, secara teoritis diprediksi oleh W. Bennett pada tahun 1934 dan secara eksperimental ditunjukkan untuk pertama kalinya oleh A. Ware pada tahun 1951, disebut efek cubitan. Metode mencubit diterapkan pada kurungan plasma; fitur utamanya adalah bahwa gas dipanaskan hingga suhu tinggi oleh arus listrik itu sendiri (pemanasan ohmik). Kesederhanaan mendasar dari metode ini menyebabkan penggunaannya dalam upaya pertama untuk menampung plasma panas, dan studi tentang efek cubitan sederhana, terlepas dari kenyataan bahwa itu kemudian digantikan oleh metode yang lebih maju, memungkinkan untuk lebih memahami masalah yang dihadapi peneliti saat ini.

Selain difusi plasma dalam arah radial, ada juga penyimpangan longitudinal dan keluarnya melalui ujung kolom plasma. Rugi melalui ujung dapat dihilangkan jika ruang dengan plasma berbentuk seperti donat (torus). Dalam hal ini, cubitan toroidal diperoleh.

Untuk cubitan sederhana yang dijelaskan di atas, ketidakstabilan magnetohidrodinamik yang melekat di dalamnya adalah masalah serius. Jika tikungan kecil terjadi di dekat kolom plasma, maka kerapatan garis medan magnet di sisi dalam tikungan meningkat (Gbr. 1). Garis gaya magnet, yang berperilaku seperti untaian yang menahan kompresi, akan dengan cepat mulai "menonjol", sehingga tikungan akan meningkat hingga seluruh struktur filamen plasma hancur. Akibatnya, plasma akan bersentuhan dengan dinding bilik dan mendingin. Untuk mengecualikan fenomena bencana ini, sebelum lewatnya arus aksial utama, medan magnet longitudinal dibuat di ruang, yang, bersama dengan medan melingkar yang diterapkan kemudian, "meluruskan" pembengkokan kolom plasma yang baru mulai (Gbr. 2 ). Prinsip stabilisasi kolom plasma oleh medan aksial adalah dasar untuk dua proyek reaktor termonuklir yang menjanjikan - tokamak dan cubitan dengan medan magnet terbalik.

Buka konfigurasi magnetik.

tahan inersia.

Perhitungan teoritis menunjukkan bahwa fusi termonuklir dimungkinkan tanpa menggunakan perangkap magnet. Untuk melakukan ini, target yang disiapkan secara khusus (bola deuterium dengan radius sekitar 1 mm) dengan cepat dikompresi hingga kepadatan tinggi sehingga reaksi termonuklir memiliki waktu untuk menyelesaikan sebelum target bahan bakar menguap. Kompresi dan pemanasan hingga suhu termonuklir dapat dilakukan dengan pulsa laser yang sangat kuat, secara seragam dan simultan menyinari bola bahan bakar dari semua sisi (Gbr. 4). Dengan penguapan seketika dari lapisan permukaannya, partikel yang dikeluarkan memperoleh kecepatan yang sangat tinggi, dan bola berada di bawah aksi gaya tekan yang besar. Mereka mirip dengan kekuatan reaktif yang menggerakkan roket, dengan satu-satunya perbedaan adalah bahwa di sini kekuatan ini diarahkan ke dalam, menuju pusat target. Metode ini dapat menciptakan tekanan orde 10 11 MPa dan densitas 10.000 kali lebih tinggi dari densitas air. Pada kepadatan ini, hampir semua energi termonuklir akan dilepaskan dalam bentuk ledakan kecil dalam ~10–12 detik. Ledakan mikro yang terjadi, yang masing-masing setara dengan 1–2 kg TNT, tidak akan menyebabkan kerusakan pada reaktor, dan penerapan rangkaian ledakan mikro semacam itu dalam interval pendek akan memungkinkan untuk mewujudkan produksi energi yang berguna yang hampir terus-menerus. Untuk penahanan inersia, pengaturan target bahan bakar sangat penting. Target dalam bentuk bola konsentris yang terbuat dari bahan berat dan ringan akan memungkinkan untuk mencapai penguapan partikel yang paling efisien dan, akibatnya, kompresi terbesar.

Perhitungan menunjukkan bahwa untuk energi radiasi laser orde megajoule (10 6 J) dan efisiensi laser minimal 10%, energi termonuklir yang dihasilkan harus melebihi energi yang dikeluarkan untuk memompa laser. Fasilitas laser termonuklir tersedia di laboratorium penelitian di Rusia, Amerika Serikat, Eropa Barat dan Jepang. Kemungkinan menggunakan sinar ion berat sebagai pengganti sinar laser atau kombinasi sinar tersebut dengan sinar cahaya saat ini sedang dipelajari. Berkat teknologi modern, metode memulai reaksi ini memiliki keunggulan dibandingkan laser, karena memungkinkan Anda mendapatkan energi yang lebih berguna. Kekurangannya adalah kesulitan dalam memfokuskan sinar pada target.

INSTALASI DENGAN RETENSI MAGNETIK

Metode kurungan plasma magnetik sedang dipelajari di Rusia, Amerika Serikat, Jepang, dan sejumlah negara Eropa. Perhatian utama diberikan pada perangkat tipe toroidal, seperti tokamak dan jepitan dengan medan magnet terbalik, yang muncul sebagai hasil dari pengembangan jepitan sederhana dengan medan magnet longitudinal yang menstabilkan.

Untuk membatasi plasma dengan medan magnet toroidal Bj perlu untuk menciptakan kondisi di mana plasma tidak akan dipindahkan ke dinding torus. Ini dicapai dengan "memutar" garis medan magnet (yang disebut "transformasi rotasi"). Memutar ini dilakukan dengan dua cara. Pada metode pertama, arus dilewatkan melalui plasma, yang mengarah ke konfigurasi cubitan yang sudah dianggap stabil. Arus medan magnet B q J - B q bersama dengan B j menciptakan bidang total dengan putaran yang diperlukan. Jika sebuah B j B q , kita mendapatkan konfigurasi yang dikenal sebagai tokamak (singkatan dari ekspresi "TOROIDAL CAMERA WITH MAGNETIC COILS"). Tokamak (Gbr. 5) dikembangkan di bawah arahan L.A. Artsimovich di Institut Energi Atom dinamai V.I. I.V. Kurchatov di Moskow. Pada B j ~ B q konfigurasi pinch dengan medan magnet terbalik diperoleh.

Dalam metode kedua, belitan heliks khusus di sekitar ruang plasma toroidal digunakan untuk memastikan keseimbangan plasma terkekang. Arus dalam belitan ini menciptakan medan magnet yang kompleks, yang mengarah pada puntiran garis gaya medan total di dalam torus. Instalasi semacam itu, yang disebut stellarator, dikembangkan di Universitas Princeton (AS) oleh L. Spitzer dan rekan kerjanya.

Tokamak.

Parameter penting di mana kurungan plasma toroidal bergantung adalah "margin stabilitas" q, sama dengan rB j / R.B. q , dimana r dan R adalah jari-jari kecil dan besar dari plasma toroidal, masing-masing. Di kecil q ketidakstabilan heliks dapat berkembang, yang analog dengan ketidakstabilan pembengkokan cubitan lurus. Para ilmuwan di Moskow secara eksperimental menunjukkan bahwa ketika q> 1 (mis. B j B q) kemungkinan ketidakstabilan heliks sangat berkurang. Hal ini memungkinkan untuk secara efektif menggunakan panas yang dilepaskan oleh arus untuk memanaskan plasma. Sebagai hasil dari penelitian bertahun-tahun, karakteristik tokamak telah meningkat secara signifikan, khususnya, dengan meningkatkan keseragaman bidang dan pembersihan ruang vakum yang efisien.

Hasil menggembirakan yang diperoleh di Rusia mendorong terciptanya tokamak di banyak laboratorium di seluruh dunia, dan konfigurasinya menjadi subjek penelitian intensif.

Pemanasan ohmik plasma di tokamak tidak cukup untuk melakukan reaksi fusi termonuklir. Ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika plasma dipanaskan, hambatan listriknya sangat berkurang, dan sebagai akibatnya, pelepasan panas selama aliran arus menurun tajam. Tidak mungkin untuk meningkatkan arus di tokamak di atas batas tertentu, karena kolom plasma dapat kehilangan stabilitas dan dipindahkan ke dinding ruang. Oleh karena itu, berbagai metode tambahan digunakan untuk memanaskan plasma. Yang paling efektif adalah injeksi sinar atom netral berenergi tinggi dan iradiasi gelombang mikro. Dalam kasus pertama, ion yang dipercepat menjadi energi 50-200 keV dinetralkan (untuk menghindari "refleksi" mereka kembali oleh medan magnet ketika dimasukkan ke dalam ruang) dan disuntikkan ke dalam plasma. Di sini mereka kembali terionisasi dan dalam proses tumbukan mereka melepaskan energi mereka ke plasma. Dalam kasus kedua, radiasi gelombang mikro digunakan, frekuensinya sama dengan frekuensi siklotron ion (frekuensi rotasi ion dalam medan magnet). Pada frekuensi ini, plasma padat berperilaku seperti benda yang benar-benar hitam, mis. benar-benar menyerap energi insiden. Pada tokamak JET negara-negara Uni Eropa, plasma dengan suhu ion 280 juta Kelvin dan waktu kurungan 0,85 detik diperoleh dengan injeksi partikel netral. Tenaga termonuklir mencapai 2 MW diperoleh pada plasma deuterium-tritium. Durasi reaksi dibatasi oleh munculnya pengotor karena percikan dinding ruang: pengotor menembus ke dalam plasma dan, terionisasi, secara signifikan meningkatkan kehilangan energi karena radiasi. Saat ini, bekerja pada program JET difokuskan pada penelitian tentang kemungkinan mengendalikan kotoran dan penghapusannya, yang disebut. "pengalih magnet".

Tokamak besar juga dibuat di AS - TFTR, di Rusia - T15 dan di Jepang - JT60. Penelitian yang dilakukan pada fasilitas ini dan fasilitas lainnya meletakkan dasar untuk tahap pekerjaan selanjutnya di bidang fusi termonuklir terkontrol: pada tahun 2010, direncanakan untuk meluncurkan reaktor besar untuk uji teknis. Diasumsikan bahwa ini akan menjadi kerja bersama Amerika Serikat, Rusia, negara-negara Uni Eropa dan Jepang. Lihat juga TOKAMAK.

Penjepitan bidang terbalik (FOP).

Konfigurasi POP berbeda dari tokamak karena memiliki B q~ B j , tetapi arah medan toroidal di luar plasma berlawanan dengan arahnya di dalam kolom plasma. J.Taylor menunjukkan bahwa sistem seperti itu dalam keadaan dengan energi minimum dan, meskipun q

Keuntungan dari konfigurasi POP adalah bahwa rasio kepadatan energi volumetrik plasma dan medan magnet (nilai b) di dalamnya lebih besar daripada di tokamak. Pada dasarnya penting bahwa b menjadi sebesar mungkin, karena ini akan mengurangi medan toroidal dan, akibatnya, mengurangi biaya kumparan yang membuatnya dan seluruh struktur pendukung. Kelemahan POP adalah bahwa isolasi termal dari sistem ini lebih buruk daripada tokamaks, dan masalah mempertahankan medan terbalik belum terpecahkan.

Bintang.

Dalam stellarator, medan magnet toroidal tertutup ditumpangkan oleh medan yang diciptakan oleh belitan heliks khusus di sekitar bodi kamera. Medan magnet total mencegah plasma menjauh dari pusat dan menekan beberapa jenis ketidakstabilan magnetohidrodinamik. Plasma itu sendiri dapat dibuat dan dipanaskan dengan salah satu metode yang digunakan dalam tokamak.

Keuntungan utama stellarator adalah bahwa metode pengurungan yang digunakan di dalamnya tidak terkait dengan keberadaan arus dalam plasma (seperti pada tokamaks atau perangkat berdasarkan efek jepit), dan oleh karena itu stellarator dapat beroperasi dalam mode stasioner. . Selain itu, belitan heliks dapat memiliki efek "pengalih", mis. memurnikan plasma dari kotoran dan menghilangkan produk reaksi.

Pengurungan plasma di stellarator sedang dipelajari secara komprehensif di fasilitas di Uni Eropa, Rusia, Jepang, dan Amerika Serikat. Pada stellarator "Wendelstein VII" di Jerman, dimungkinkan untuk mempertahankan plasma pembawa arus dengan suhu lebih dari 5x10 6 kelvin, memanaskannya dengan injeksi sinar atom berenergi tinggi.

Studi teoretis dan eksperimental baru-baru ini telah menunjukkan bahwa di sebagian besar instalasi yang dijelaskan, dan terutama dalam sistem toroidal tertutup, waktu kurungan plasma dapat ditingkatkan dengan meningkatkan dimensi radialnya dan membatasi medan magnet. Misalnya, untuk tokamak, telah dihitung bahwa kriteria Lawson akan terpenuhi (dan bahkan dengan beberapa margin) pada kekuatan medan magnet ~50 ± 100 kG dan radius ruang toroidal kecil sekitar. 2 m Ini adalah parameter instalasi listrik 1000 MW.

Saat membuat instalasi besar seperti itu dengan kurungan plasma magnetik, masalah teknologi yang sama sekali baru muncul. Untuk menciptakan medan magnet orde 50 kG dalam volume beberapa meter kubik menggunakan kumparan tembaga berpendingin air, diperlukan sumber listrik dengan kapasitas beberapa ratus megawatt. Oleh karena itu, jelas bahwa belitan kumparan harus dibuat dari bahan superkonduktor, seperti paduan niobium dengan titanium atau dengan timah. Hambatan bahan-bahan ini terhadap arus listrik dalam keadaan superkonduktor adalah nol, dan oleh karena itu, jumlah minimum listrik akan dihabiskan untuk mempertahankan medan magnet.

teknologi reaktor.

Prospek untuk penelitian termonuklir.

Eksperimen yang dilakukan pada instalasi tipe tokamak menunjukkan bahwa sistem ini sangat menjanjikan sebagai basis yang memungkinkan untuk reaktor UTS. Hasil terbaik sampai saat ini telah diperoleh pada tokamaks, dan ada harapan bahwa dengan peningkatan skala instalasi yang sesuai, mereka akan dapat menerapkan fusi terkontrol industri. Namun, tokamak tidak cukup ekonomis. Untuk menghilangkan kekurangan ini, perlu bahwa itu tidak bekerja dalam mode berdenyut, seperti sekarang, tetapi dalam mode berkelanjutan. Namun, aspek fisik dari masalah ini masih kurang dipahami. Penting juga untuk mengembangkan sarana teknis yang akan meningkatkan parameter plasma dan menghilangkan ketidakstabilannya. Mempertimbangkan semua ini, orang tidak boleh melupakan kemungkinan lain, meskipun opsi yang kurang berkembang untuk reaktor termonuklir, misalnya, stellarator atau cubitan medan terbalik. Keadaan penelitian di bidang ini telah mencapai tahap di mana ada desain reaktor konseptual untuk sebagian besar sistem kurungan magnetik plasma suhu tinggi dan untuk beberapa sistem kurungan inersia. Contoh pengembangan industri tokamak adalah proyek Aries (USA).

Para ilmuwan di Laboratorium Fisika Plasma Princeton telah mengajukan gagasan tentang perangkat fusi nuklir paling tahan lama yang dapat beroperasi selama lebih dari 60 tahun. Saat ini, ini adalah tugas yang menakutkan: para ilmuwan berjuang untuk membuat reaktor fusi bekerja selama beberapa menit - dan kemudian bertahun-tahun. Terlepas dari kerumitannya, pembangunan reaktor fusi adalah salah satu tugas sains yang paling menjanjikan, yang dapat membawa manfaat besar. Kami memberi tahu Anda apa yang perlu Anda ketahui tentang fusi termonuklir.

1. Apa itu fusi termonuklir?

Jangan takut dengan frasa yang rumit ini, pada kenyataannya, semuanya cukup sederhana. Fusi termonuklir adalah salah satu jenis reaksi nuklir.

Selama reaksi nuklir, inti atom berinteraksi baik dengan partikel elementer atau dengan inti atom lain, yang menyebabkan komposisi dan struktur inti berubah. Inti atom yang berat dapat meluruh menjadi dua atau tiga yang lebih ringan - ini adalah reaksi fisi. Ada juga reaksi fusi: ini adalah ketika dua inti atom ringan bergabung menjadi satu inti yang berat.

Tidak seperti fisi nuklir, yang dapat terjadi secara spontan dan paksa, fusi nuklir tidak mungkin terjadi tanpa pasokan energi eksternal. Seperti yang Anda ketahui, lawan menarik, tetapi inti atom bermuatan positif - itulah sebabnya mereka saling tolak. Situasi ini disebut penghalang Coulomb. Untuk mengatasi tolakan, perlu untuk membubarkan partikel-partikel ini dengan kecepatan gila. Ini dapat dilakukan pada suhu yang sangat tinggi, pada orde beberapa juta kelvin. Reaksi-reaksi inilah yang disebut termonuklir.

2. Mengapa kita membutuhkan fusi termonuklir?

Selama reaksi nuklir dan termonuklir, sejumlah besar energi dilepaskan yang dapat digunakan untuk berbagai tujuan - Anda dapat membuat senjata paling kuat, atau Anda dapat mengubah energi nuklir menjadi listrik dan memasoknya ke seluruh dunia. Energi peluruhan nuklir telah lama digunakan di pembangkit listrik tenaga nuklir. Tapi energi termonuklir terlihat lebih menjanjikan. Dalam reaksi termonuklir, untuk setiap nukleon (yang disebut inti penyusun, proton dan neutron), lebih banyak energi yang dilepaskan daripada dalam reaksi nuklir. Misalnya, ketika fisi inti uranium per nukleon menyumbang 0,9 MeV (megaelectronvolt), dan ketikaDalam sintesis inti helium, energi sebesar 6 MeV dilepaskan dari inti hidrogen. Oleh karena itu, para ilmuwan sedang belajar untuk melakukan reaksi termonuklir.

Penelitian fusi dan pembangunan reaktor memungkinkan perluasan produksi teknologi tinggi, yang berguna di bidang sains dan teknologi tinggi lainnya.

3. Apa itu reaksi termonuklir?

Reaksi termonuklir dibagi menjadi mandiri, tidak terkendali (digunakan dalam bom hidrogen) dan terkendali (cocok untuk tujuan damai).

Reaksi mandiri terjadi di bagian dalam bintang. Namun, tidak ada kondisi di Bumi untuk reaksi seperti itu terjadi.

Orang-orang telah melakukan fusi termonuklir yang tidak terkendali atau eksplosif untuk waktu yang lama. Pada tahun 1952, selama Operasi Evie Mike, Amerika meledakkan alat peledak termonuklir pertama di dunia, yang tidak memiliki nilai praktis sebagai senjata. Dan pada Oktober 1961, bom termonuklir (hidrogen) pertama di dunia (Tsar Bomba, Kuz'kina Mother), yang dikembangkan oleh para ilmuwan Soviet di bawah kepemimpinan Igor Kurchatov, diuji. Itu adalah alat peledak paling kuat dalam sejarah umat manusia: energi total ledakan, menurut berbagai sumber, berkisar antara 57 hingga 58,6 megaton TNT. Untuk meledakkan bom hidrogen, pertama-tama perlu untuk mendapatkan suhu tinggi selama ledakan nuklir konvensional - hanya dengan demikian inti atom akan mulai bereaksi.

Kekuatan ledakan dalam reaksi nuklir yang tidak terkendali sangat tinggi, di samping itu, proporsi kontaminasi radioaktif tinggi. Oleh karena itu, untuk menggunakan energi termonuklir untuk tujuan damai, perlu dipelajari cara mengelolanya.

4. Apa yang diperlukan untuk reaksi termonuklir terkendali?

Tahan plasmanya!

Tidak jelas? Sekarang mari kita jelaskan.

Pertama, inti atom. Energi nuklir menggunakan isotop - atom yang berbeda satu sama lain dalam jumlah neutron dan, karenanya, dalam massa atom. Isotop hidrogen deuterium (D) diekstraksi dari air. Hidrogen superberat atau tritium (T) adalah isotop radioaktif hidrogen yang merupakan produk sampingan dari reaksi peluruhan yang dilakukan dalam reaktor nuklir konvensional. Juga dalam reaksi termonuklir, isotop ringan hidrogen, protium, digunakan: ini adalah satu-satunya elemen stabil yang tidak memiliki neutron di dalam nukleus. Helium-3 terkandung di Bumi dalam jumlah yang dapat diabaikan, tetapi sangat melimpah di tanah bulan (regolith): pada tahun 80-an, NASA mengembangkan rencana untuk instalasi hipotetis untuk memproses regolith dan ekstraksi isotop. Di sisi lain, isotop lain, boron-11, tersebar luas di planet kita. 80% boron di Bumi adalah isotop yang diperlukan untuk ilmuwan nuklir.

Kedua, suhunya sangat tinggi. Zat yang berpartisipasi dalam reaksi termonuklir harus berupa plasma yang hampir sepenuhnya terionisasi - ini adalah gas di mana elektron bebas dan ion dari berbagai muatan mengapung secara terpisah. Untuk mengubah suatu zat menjadi plasma, diperlukan suhu 10 7 -10 8 K - ini adalah ratusan juta derajat Celcius! Temperatur ultra-tinggi seperti itu dapat diperoleh dengan menciptakan pelepasan listrik berdaya tinggi dalam plasma.

Namun, tidak mungkin hanya memanaskan elemen kimia yang diperlukan. Reaktor apa pun akan langsung menguap pada suhu ini. Pendekatan yang sama sekali berbeda diperlukan di sini. Sampai saat ini, dimungkinkan untuk menyimpan plasma di area terbatas dengan bantuan magnet listrik tugas berat. Tetapi energi yang diperoleh dari reaksi termonuklir belum sepenuhnya dapat digunakan: bahkan di bawah pengaruh medan magnet, plasma menyebar di ruang angkasa.

5. Reaksi apa yang paling menjanjikan?

Reaksi nuklir utama yang direncanakan akan digunakan untuk fusi termonuklir terkendali akan menggunakan deuterium (2H) dan tritium (3H), dan di masa depan yang lebih jauh, helium-3 (3He) dan boron-11 (11B).

Berikut adalah reaksi yang paling menarik.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - reaksi deuterium-tritium.

2) 2 H+ 2 D -> 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50%

2 D+ 2 D -> 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50% adalah yang disebut deuterium monopropelan.

Reaksi 1 dan 2 penuh dengan kontaminasi radioaktif neutron. Oleh karena itu, reaksi "tanpa neutron" adalah yang paling menjanjikan.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deuterium bereaksi dengan helium-3. Masalahnya adalah helium-3 sangat langka. Namun, hasil bebas neutron membuat reaksi ini menjanjikan.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8.7 MeV - boron-11 bereaksi dengan protium, menghasilkan partikel alfa yang dapat diserap oleh aluminium foil.

6. Di mana harus melakukan reaksi seperti itu?

Reaktor fusi alami adalah bintangnya. Di dalamnya, plasma ditahan di bawah pengaruh gravitasi, dan radiasi diserap - dengan demikian, inti tidak mendingin.

Di Bumi, reaksi termonuklir hanya dapat dilakukan di fasilitas khusus.

sistem impuls. Dalam sistem seperti itu, deuterium dan tritium disinari dengan sinar laser berdaya ultra tinggi atau berkas elektron/ion. Iradiasi semacam itu menyebabkan serangkaian ledakan mikro termonuklir. Namun, tidak menguntungkan untuk menggunakan sistem seperti itu pada skala industri: lebih banyak energi dihabiskan untuk percepatan atom daripada yang diperoleh sebagai hasil fusi, karena tidak semua atom yang dipercepat masuk ke dalam reaksi. Oleh karena itu, banyak negara sedang membangun sistem kuasi-stasioner.

Sistem kuasi-stasioner. Dalam reaktor seperti itu, plasma ditahan oleh medan magnet pada tekanan rendah dan suhu tinggi. Ada tiga jenis reaktor berdasarkan konfigurasi medan magnet yang berbeda. Ini adalah tokamaks, stellarators (torsatrons) dan perangkap cermin.

tokamak singkatan dari "ruang toroidal dengan kumparan magnet". Ini adalah kamera dalam bentuk "donat" (torus), di mana gulungan dililit. Fitur utama tokamak adalah penggunaan arus listrik bolak-balik yang mengalir melalui plasma, memanaskannya dan, menciptakan medan magnet di sekitarnya, menahannya.

PADA bintang (torsatron) medan magnet sepenuhnya ditampung oleh kumparan magnet dan, tidak seperti tokamak, dapat dioperasikan terus menerus.

W cermin (terbuka) perangkap digunakan prinsip refleksi. Ruang ditutup di kedua sisi oleh "colokan" magnetik yang memantulkan plasma, menyimpannya di dalam reaktor.

Untuk waktu yang lama, perangkap cermin dan tokamaks berjuang untuk supremasi. Awalnya, konsep jebakan tampak lebih sederhana dan karenanya lebih murah. Pada awal 60-an, jebakan terbuka didanai besar-besaran, tetapi ketidakstabilan plasma dan upaya yang gagal untuk menahannya dengan medan magnet memaksa instalasi ini menjadi rumit - desain yang tampak sederhana berubah menjadi mesin neraka, dan itu tidak berhasil untuk dicapai. hasil yang stabil. Oleh karena itu, tokamak muncul di tahun 1980-an. Pada tahun 1984, tokamak JET Eropa diluncurkan, yang biayanya hanya 180 juta dolar dan parameternya memungkinkan untuk melakukan reaksi termonuklir. Di Uni Soviet dan Prancis, tokamak superkonduktor dirancang, yang hampir tidak menghabiskan energi untuk pengoperasian sistem magnetik.

7. Siapa yang sekarang belajar melakukan reaksi termonuklir?

Banyak negara sedang membangun reaktor fusi mereka sendiri. Ada reaktor eksperimental di Kazakhstan, Cina, Amerika Serikat dan Jepang. Institut Kurchatov sedang mengerjakan reaktor IGNITOR. Jerman meluncurkan reaktor fusi bintang Wendelstein 7-X.

Proyek internasional yang paling terkenal adalah tokamak ITER (ITER, Reaktor Eksperimental Termonuklir Internasional) di Pusat Penelitian Cadarache (Prancis). Pembangunannya seharusnya selesai pada 2016, tetapi ukuran dukungan keuangan yang diperlukan telah meningkat, dan waktu eksperimen telah bergeser ke 2025. Uni Eropa, Amerika Serikat, Cina, India, Jepang, Korea Selatan dan Rusia berpartisipasi dalam kegiatan ITER. Bagian utama dalam pembiayaan dimainkan oleh UE (45%), sisanya memasok peralatan berteknologi tinggi. Secara khusus, Rusia memproduksi bahan dan kabel superkonduktor, tabung radio untuk pemanasan plasma (gyrotron) dan sekering untuk koil superkonduktor, serta komponen untuk bagian paling kompleks dari reaktor - dinding pertama, yang harus tahan terhadap gaya elektromagnetik, radiasi neutron dan radiasi plasma.

8. Mengapa kita masih tidak menggunakan reaktor termonuklir?

Instalasi tokamak modern bukanlah reaktor termonuklir, tetapi instalasi penelitian di mana keberadaan dan pelestarian plasma hanya dimungkinkan untuk sementara waktu. Faktanya adalah bahwa para ilmuwan belum mempelajari cara menyimpan plasma di dalam reaktor untuk waktu yang lama.

Saat ini, salah satu pencapaian terbesar di bidang fusi nuklir adalah keberhasilan ilmuwan Jerman yang berhasil memanaskan gas hidrogen hingga 80 juta derajat Celcius dan mempertahankan awan plasma hidrogen selama seperempat detik. Dan di Cina, plasma hidrogen dipanaskan hingga 49,999 juta derajat dan ditahan selama 102 detik. Ilmuwan Rusia dari (G. I. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk) berhasil mencapai pemanasan plasma yang stabil hingga sepuluh juta derajat Celcius. Namun, Amerika baru-baru ini mengusulkan metode untuk mengurung plasma selama 60 tahun - dan ini mengilhami optimisme.

Selain itu, ada kontroversi mengenai profitabilitas fusi dalam industri. Tidak diketahui apakah manfaat pembangkit listrik akan mengimbangi biaya fusi. Diusulkan untuk bereksperimen dengan reaksi (misalnya, meninggalkan reaksi deuterium-tritium atau monopropelan tradisional demi reaksi lain), bahan struktural - atau bahkan mengabaikan gagasan fusi termonuklir industri, menggunakannya hanya untuk reaksi individu dalam fisi reaksi. Namun, para ilmuwan masih terus bereksperimen.

9. Apakah reaktor fusi aman?

Relatif. Tritium, yang digunakan dalam reaksi termonuklir, bersifat radioaktif. Selain itu, neuron yang dilepaskan sebagai hasil fusi menyinari struktur reaktor. Elemen-elemen reaktor itu sendiri tertutup debu radioaktif karena terpapar plasma.

Namun, reaktor fusi jauh lebih aman daripada reaktor nuklir dalam hal radiasi. Ada relatif sedikit zat radioaktif di dalam reaktor. Selain itu, desain reaktor itu sendiri mengasumsikan tidak adanya "lubang" di mana radiasi dapat bocor. Ruang vakum reaktor harus disegel, jika tidak reaktor tidak bisa bekerja. Selama konstruksi reaktor termonuklir, bahan yang diuji dengan tenaga nuklir digunakan, dan tekanan yang dikurangi dipertahankan di dalam ruangan.

Kapan pembangkit listrik fusi akan muncul?

Para ilmuwan paling sering mengatakan sesuatu seperti "dalam 20 tahun kita akan menyelesaikan semua masalah mendasar". Insinyur nuklir berbicara tentang paruh kedua abad ke-21. Politisi berbicara tentang lautan energi bersih untuk satu sen, tanpa peduli dengan tanggal.

Bagaimana para ilmuwan mencari materi gelap di perut Bumi

Ratusan juta tahun yang lalu, mineral di bawah permukaan bumi dapat menyimpan jejak zat misterius. Tetap hanya untuk sampai ke mereka. Lebih dari dua lusin laboratorium bawah tanah yang tersebar di seluruh dunia sibuk mencari materi gelap.

Bagaimana ilmuwan Siberia membantu seorang pria terbang ke bintang-bintang

Pada 12 April 1961, Yuri Gagarin melakukan penerbangan pertama ke luar angkasa - senyum pilot yang baik hati dan keceriaannya "Ayo pergi!" menjadi kemenangan kosmonotika Soviet. Agar penerbangan ini terjadi, para ilmuwan di seluruh negeri memeras otak mereka tentang cara membuat roket sedemikian rupa yang akan menahan semua bahaya ruang yang belum dijelajahi - di sini ide-ide para ilmuwan dari Akademi Ilmu Pengetahuan Cabang Siberia dapat tidak dilakukan tanpa.

Masa depan. Para ilmuwan 60-70 tahun yang lalu sedang mencari cara untuk mendapatkan energi yang lebih murah. Metode ini telah dikenal sejak lama, tetapi tetap tidak mungkin untuk mengontrol energi dari kekuatan seperti itu bahkan hingga hari ini. Kita berbicara tentang fusi termonuklir. Fusi termonuklir terkendali adalah sintesis inti atom yang lebih berat dari yang lebih ringan untuk mendapatkan energi besar, yang, tidak seperti fusi termonuklir eksplosif (digunakan dalam bom hidrogen), sepenuhnya dikendalikan.

Fusi termonuklir terkendali berbeda dari fusi tradisional karena yang terakhir menggunakan reaksi peluruhan di mana inti yang lebih ringan dapat diperoleh dari inti yang berat. Reaktor termonuklir jauh lebih aman daripada reaktor nuklir (reaktor nuklir) dalam hal radiasi. Pertama-tama, jumlah zat radioaktif di dalamnya relatif kecil, yang membuatnya hampir ramah lingkungan.

Energi yang dapat dilepaskan sebagai akibat dari beberapa jenis kecelakaan juga relatif kecil dan tidak dapat menyebabkan kehancuran reaktor. Pada saat yang sama, ada beberapa hambatan alami dalam desain reaktor yang mencegah penyebaran zat radioaktif. Misalnya, ruang vakum dan cangkang ctiostat harus benar-benar tertutup, jika tidak, reaktor tidak dapat bekerja. Namun, selama desain, perhatian besar diberikan pada keselamatan radiasi baik selama operasi normal maupun selama kemungkinan kecelakaan.

Fusi termonuklir, reaksi isotop hidrogen, tidak seperti reaksi atom, reaksi termonuklir adalah reaksi fusi, akhirnya helium terbentuk, dan helium terbentuk dengan pelepasan energi panas kolosal. Fusi termonuklir hanya dapat diperoleh dalam perangkat khusus yang disebut tokamak (ruang toroidal dengan kumparan magnet), mitra Soviet adalah sinkrofasotron. Eksperimen di bidang energi termonuklir mulai dilakukan di Uni Soviet pada awal 30-an abad terakhir, tetapi masalah ini belum sepenuhnya terselesaikan.

Energi panas yang sangat besar tidak dapat dikendalikan, dan hanya digunakan dalam senjata termonuklir. Proyek reaktor termonuklir pertama di dunia telah diluncurkan selama 10 tahun, konstruksi dimulai di Prancis, dan menurut para ilmuwan, dunia akan melihat fusi termonuklir terkontrol pertama pada tahun 2026. Jika memungkinkan untuk melakukan fusi, maka kemungkinan besar harga energi listrik akan turun tajam, karena hanya air yang dibutuhkan untuk fusi termonuklir ...

Sebagai perbandingan, katakanlah jika 1 gelas air mengalami fusi termonuklir, maka dimungkinkan untuk memasok listrik ke kota kecil selama 1 hari! Itulah kekuatan air! (lebih tepatnya, hidrogen). Namun selain fusi termonuklir, ada beberapa jenis cara alternatif lain untuk menghasilkan listrik, tetapi Anda dapat mengetahuinya di ulasan ini, terima kasih atas perhatian Anda - A. Kasyan.

Diskusikan artikel CONTROLLED Fusion

fusi termonuklir, reaksi fusi inti atom ringan menjadi inti yang lebih berat, terjadi pada suhu supertinggi dan disertai dengan pelepasan energi dalam jumlah besar. Fusi nuklir adalah reaksi kebalikan dari fisi atom: yang terakhir, energi dilepaskan karena pemecahan inti berat menjadi yang lebih ringan. Lihat juga FISI NUKLIR; DAYA NUKLIR.

Menurut konsep astrofisika modern, sumber energi utama Matahari dan bintang lainnya adalah fusi termonuklir yang terjadi di kedalamannya. Dalam kondisi terestrial, itu dilakukan selama ledakan bom hidrogen. Fusi termonuklir disertai dengan pelepasan energi kolosal per satuan massa zat yang bereaksi (sekitar 10 juta kali lebih besar daripada reaksi kimia). Oleh karena itu, sangat menarik untuk menguasai proses ini dan, atas dasar itu, menciptakan sumber energi yang murah dan ramah lingkungan. Namun, terlepas dari kenyataan bahwa tim ilmiah dan teknis besar di banyak negara maju terlibat dalam penelitian tentang fusi termonuklir terkendali (CTF), masih banyak masalah kompleks yang harus dipecahkan sebelum produksi industri energi termonuklir menjadi kenyataan.

Pembangkit listrik tenaga nuklir modern yang menggunakan proses fisi hanya sebagian memenuhi kebutuhan listrik dunia. Bahan bakarnya adalah unsur radioaktif alami uranium dan thorium, yang prevalensi dan cadangannya di alam sangat terbatas; oleh karena itu, bagi banyak negara ada masalah impor mereka. Komponen utama bahan bakar termonuklir adalah deuterium isotop hidrogen, yang ditemukan di air laut. Cadangannya tersedia untuk umum dan sangat besar (lautan menutupi ~ 71% dari luas permukaan bumi, dan deuterium menyumbang sekitar 0,016% dari total jumlah atom hidrogen yang membentuk air). Selain ketersediaan bahan bakar, sumber energi termonuklir memiliki keunggulan penting berikut dibandingkan pembangkit listrik tenaga nuklir: 1) reaktor UTS mengandung jauh lebih sedikit bahan radioaktif daripada reaktor fisi nuklir, dan oleh karena itu konsekuensi pelepasan produk radioaktif yang tidak disengaja lebih sedikit. berbahaya; 2) reaksi termonuklir menghasilkan lebih sedikit limbah radioaktif berumur panjang; 3) TCB memungkinkan pembangkit listrik langsung.

Artsimovich L.A. Reaksi termonuklir terkendali. M., 1963
Pembangkit listrik termal dan nuklir(buku 1, bagian 6; buku 3, bagian 8). M., 1989

Temukan "FUSION NUKLIR" di